基于Visual ModFlow的银川市地下水超采区水位预测

2022-09-14陈玉春

地下水 2022年4期

李岩，杨雪，陈玉春

(宁夏回族自治区水文水资源监测预警中心，宁夏银川 750004)

我国地下水数值模拟起步于20世纪70年代初[1]，随着地下水管理的需求逐步提高，相关领域，如地下水资源评价、开发利用预报预测、水资源综合管理等应用地下水数值模拟技术进行开展研究的案例不断涌现。尹霄等[2]基于降水工程监测数据资料，建立水文地质模型和地下水流数学模型，分析边界条件对基坑降水工程影响；张宏伟等[3]基于Visual MODFLOW软件建立山东省临清市地下水流动模型和地下水溶质运移模型，采用情景分析法对3种典型降雨水平年下6种水氮模式进行模拟；郑亚楠等[4]构建了岩质滑坡体中地下水各向异性三维渗流模型，模拟结果可以对滑坡预警预报模型的建立提供科学依据。事实证明应用地下水流模拟技术，进行预测或管理，具有前瞻性和可靠性等优势。本文采用Visual Modflow软件构建银川市地下水超采区模型，对模型进行率定验证，融合统计和数学模型方法，分析超采区地下水补排均衡要素及其占比，甄别影响超采区地下水动态的主要补给和排泄要素，同时预测现状条件和替代水源条件下今后5～10 a超采区水位与漏斗范围变化。

1 研究区范围及水文地质背景

1.1 研究区范围

银川市地下水超采区位于宁夏银川平原引黄灌区，超采区面积为294 km2，范围涉及了银川市兴庆区、金凤区和西夏区，超采区涵盖了银川市主要城区、东郊水源地、南郊水源地、北郊水源地、宁化第一水源地及部分灌区。见图1.

图1 银川市超采区范围示意图

1.2 研究区水文地质背景

银川平原为新生代形成的断陷盆地，总体走向NNE向，新生界厚度达7 000 m，第四系最厚达2 000 m，下伏第三系大于1 700 m。银川平原地下水按赋存条件属第四系松散岩类孔隙水，自西侧贺兰山东麓向东至黄河河床呈现典型的带状分布：洪积→冲洪积→冲湖积→冲积。研究区位于冲湖积、冲积带内，属引黄灌区。据现有勘探资料，在250 m深度内一般有三个主要含水层，即潜水、第一承压水、第二承压水，承压水水质较好，水量大，不易污染，成为工业和城市生活供水的主要开采层。

1.2.1 潜水含水岩组

潜水含水岩组岩性在平原区南段以中细砂为主，中段以细砂为主，北段以粉细砂为主。自盆地边缘向盆地中心及由南向北，含水层岩性逐渐变细，淤泥质含量增多。含水层厚度一般为20～60 m。地下水位埋深由平原中心向边缘逐渐递增，在山前洪积倾斜平原地带为2～10 m，冲湖积平原和冲积平原小于2 m。潜水含水岩组隔水底板主要由粘土、砂粘土组成，其厚度一般为2～12 m。

1.2.2 第一承压含水岩组

第一承压含水岩组顶板埋深通常在25～60 m之间，底板埋深一般为140～160 m。含水岩组通常由2～5个相互具有水力联系的含水层所构成，它们之间有极不稳定的粘性土夹层，连续性差，地下水体相互贯通。含水层岩性主要为细砂、粉细砂和少量中砂。第一承压含水岩组的厚度一般在40～130 m之间。第一承压含水层是银川市城市供水的主要开采层，多年来形成了以西夏区为中心的区域性水位降落漏斗。第一承压含水岩组隔水底板的岩性亦为粘土、砂粘土，其厚度一般为2～14 m。

1.2.3 第二承压含水岩组

第二承压含水岩组底板埋深一般为240～260 m，岩性以细砂、粉细砂为主。含水层厚度一般在60～125 m之间。第二承压含水岩组底板标高在贺兰县与平罗县之间的地带最低，向南、向北以及向西，底板标高均有所增大。

2 水文地质模型概化

2.1 水文地质条件概化

根据水文地质条件划分含水层，银川市超采区主要开采多层结构潜水-承压水，自上而下可分为潜水、第一承压水、第二承压水三个含水岩组。潜水含水层：厚度一般20～50 m，水位埋深一般1～6 m。第一承压水含水层：顶板埋深40～60 m，底板埋深140～180 m，厚度100～120 m。第二承压水含水层：一般埋深在190～240 m，厚度70～95 m。由于三个含水岩组以中间分布黏性土作为相对隔水层划分，概化两个隔水层，厚度5～13 m，岩性为粘土、砂粘土。因此自地表向下将地层概化为5层，即单一潜水含水层、潜水隔水层、第一承压含水层、第一承压含水层隔水层、第二承压含水层。上部潜水含水层接受降水、灌溉及河渠湖泊等入渗，底部的第四系含水层在一般情况下，与第二承压水无直接水量交换，在人工开采条件下可越流补给第二承压水，本次将其概化为隔水边界。见图2。

图2 概化银川超采区模型地层剖面示意图

2.2 水文地质参数确定

将地层分为五层，第一层为潜水含水层，主要岩性为砂卵砾石，向东颗粒变细逐渐过度为细砂，西侧渗透系数4～7 m/d，给水度0.06，东侧渗透系数5～15 m/d，给水度0.1；第二层和第四层均为隔水层，主要为粘土，渗透系数0.01 m/d，给水度0.03；第三层和第五层均为承压含水层，主要岩性为细砂，渗透系数2～14 m/d，给水度0.06～0.1。主要开采含水层，渗透系数、给水度采用本地区抽水试验数据，见表1。

表1 含水层水文地质参数表

2.3 边界条件确定

2.3.1 降水补给

降水入渗补给采用 RCH(recharge)子程序包来模拟，根据计算的降水入渗补给量直接分年度设置。采用评价区附近贺家庙水文站2015-2020年年降雨量，见表2。降水入渗补给系数参照《宁夏回族自治区浅层地下水资源》中的评价结果，采用0.13。降水入渗补给量采用下式计算：

表2 贺家庙水文站2015-2020年年降雨量表 mm

Pr=0.1αpPF

(1)

式中：αp为降水入渗补给系数；P为平均降水量(mm)；Pr为降水入渗补给量(万m3)；F为降水入渗计算面积(km2)。

2.3.2 潜水蒸发

潜水蒸发采用 EVT(Evapotranspiration)子程序包来模拟，设置水面蒸发量和极限埋深，由程序包根据地下水埋深自动计算潜水蒸发量。水面蒸发量采用贺家庙水文站E601水面蒸发量，见表3。根据包气带岩性，极限埋深取3.5 m。银川市超采区地下水平均埋深在10 m左右，主要开采地下水区多年埋深均在10 m以上，在超采区周边地下水埋深较小，灌区埋深一般小于3 m。

表3 贺家庙水文站2015-2019年年水面蒸发量表 mm

2.3.3 灌溉入渗

田间入渗补给采用 RCH(recharge)来模拟，根据不同作物分布范围和入渗补给量分时段设置。灌溉水渗入田间后，经包气带渗漏补给地下水的水量，计算公式为：

Q田渗=αⅠQ田间

(2)

式中：Q田渗为田间灌溉渗入补给量(万m3/d)；αⅠ为田间灌溉入渗补给系数；Q田间为田间灌溉水量，采用灌溉面积与灌溉定额的乘积。

灌溉面积和灌溉定额的确定参考《宁夏高质量发展以水“四定”管控研究》中银川市水稻实灌面积14.4万亩，旱作物水浇地(含高效节水、经果林、防护林、牧草)实灌面积44.5万亩；水稻灌溉定额1 050 m3/亩·年，旱作物水浇地灌溉定额270 m3/亩·年。灌溉入渗系数参考《宁夏回族自治区水资源调查评价》[5]进行取值，计算结果见表4。

表4 田间灌溉水渗入量计算表

2.3.4 排水沟

排水沟采用 DRN(drain)来模拟，根据排水沟分布和监测水位分时段设置，程序自动计算排水沟排泄地下水量。排水沟主要排泄灌溉回归水、地下水、工业废水及城市生活污水。流经研究区的主要排水沟有四二干沟、永清沟景观水道、桑园沟、永二干沟、银新干沟、第二排水沟。排水沟总长122.36 km，每天排泄量为3.15万 m3，流经研究区长为29.77 km，研究区内的排水量按排水沟长度计算，平均每公里每天排水量为0.11万 m3，取值及计算结果见表5。

表5 排水沟排泄地下水量计算表

2.3.5 取水井

取水井采用 WELL来模拟，根据机井分布和开采量情况分别设置。截止2018年，银川市超采区共有取水井552眼。考虑银川都市圈西线供水工程通水后对取水井的影响，本次研究对水源地取水井自2020年开始进行压减、停采。

2.3.6 常水头设置

本次研究区常水头设置主要分为东西两部分，西边常水头参考宁夏国土资源调查监测院绘制等水位行进行插值，中间水头较高，两边较低，水头为1 127～1 131 m；东边为黄河，采用河流进行模拟，参考黄河石坝站水位监测资料，设置水位值为1 106.46 m。

2.3.7 湖泊

湖泊采用 LAK3(lake)子程序包来模拟，设置湖底高程、湖水位、湖底淤积层渗透系数等，由程序包自动计算湖水与地下水水量交换。本次研究区选取了阅海湖、七子连湖、鸣翠湖参与计算，其参数设置主要参考阅海、丰盈、鸣翠湖三处遥测水位计的测量成果。湖泊主要参数设置见表6。

表6 模型湖泊主要参数设置表

2.4 初始条件

初始水位采用宁夏国土资源调查监测院绘制的2015年潜水等水位线和第一承压水等水位线作为模型潜水含水层和承压水含水层初始水位，见图3和图4。

图3 研究区潜水含水层初始水位示意图

图4 研究区承压含水层初始水头示意图

3 模型时空离散

研究区地面采用12.5 m网格的DEM数据，其他地层层底高程根据国土调查监测院钻孔资料和国家地下水监测工程监测井成井资料，计算各层点位高程，按克里金插值形成的各地层底部等高线，即250 m网格的等高线数据文件，依次导入模型形成概化地层面(等高线)和三维模型，见图5。

图5 银川超采区模型三维示意图

研究区模型长45.9 km，宽19.8 km，面积908.8 km2，采用200 m×200 m的网格进行矩形网格剖分，垂向剖分为5层，将研究区剖分为100行，230列规则网格，研究区每层计算单元为23 000个，其中非活动单元格为707个，活动单元格为22 293个，总计算单元为115 000个，总活动单元格为111 465个。研究区模拟时间从2015年1月1日开始，到2030年12月31日为止。模拟期长为16 a，5 840 d。

4 模型识别和验证

为确保模型贴近于实际，本文首先对比了人工和模型绘制的地下水流场，随后选取了研究区16眼监测井，其中潜水监测井8眼，井深20～50 m，年均埋深1.5～11 m，承压水监测井8眼，井深60～90 m，年均埋深5～20 m，通过对比监测井实际监测水位和模拟水位，进行模型识别与验证。

4.1 地下水流场对比

通过对比宁夏国土资源调查监测院绘制的2015年和2019年潜水等水位线、承压水等水位线，模型模拟的地下水等水位线与其总体一致。潜水模拟考虑了排水沟和湖泊对潜水水位影响，潜水从排水沟两侧向排水沟弯曲，开口向下游；湖泊中心地下水位一般高于周边地下水水位，表明湖泊一般渗漏补给地下水。

4.2 监测井水位对比

把16眼监测井逐月水位与模型计算水位进行总体对比(图6)，误差均方差0.011 m，规范化均方差4.163%。一般规范化均方差小于10%，误差均方差小于0.1 m即可满足要求，所以本次模拟符合要求，有效性得到了验证。

图6 模型监测井观测水位与模拟水位误差分析图

5 模型地下水补排要素分析

根据校正后的模型，分别计算出近年(2015-2020年)年均水均衡情况和2020年条件下的水均衡情况，见表7和图7。2020年现状条件下，模拟区总补给量为2.17亿 m3，其中侧向径流补给量为0.19亿 m3，占总补给量的9%；河流侧向补给量0.1亿 m3，占总补给量的5%；降雨入渗补给量为0.23亿 m3，占总补给量的11%；渠系入渗补给量0.64亿 m3，占总补给量的29%；田间灌溉入渗补给量为0.88亿 m3，占总补给量的41%；湖泊渗漏补给量0.13亿 m3，占总补给量的6%。总排泄量为2.12亿 m3，其中人工开采量为0.81亿 m3，占总排泄量的38%；排水沟排泄量为0.16亿 m3，占总排泄量的8%；蒸发量为1.07亿 m3，占总排泄量的50%；湖泊排泄量为0.08亿 m3，占总排泄量的4%。根据模型水均衡情况，可知：

表7 模型2020年区域地下水均衡情况亿m3

图7 模型2020年各项补排均衡示意图

(1)2020年研究区补给量大于排泄量，说明区域地下水水位在逐步上升，与2020年区域监测井监测情况相符，进一步验证了模型的准确性，同时也说明银川市超采区治理效果较好，已基本实现采补平衡；

(2)近年平均渠系入渗补给量和田间入渗补给量占总补给量占比较高，说明研究区地下水主要补给来源为渠系入渗补给和田间入渗补给，其次是降雨入渗补给和侧向径流补给；

(3)近年平均人工开采量和蒸发量是研究区主要排泄项。

6 研究区开采情景模拟与预测分析

2019年银川市超采区超采量为1 586万 m3，通过模型模拟的2019年银川市超采区承压水等水位线(见图8)可知，银川市超采区范围较稳定，三个开采漏斗，分别位于北郊水源，南郊水源地、东郊水源地附近，漏斗中心最低水位分别为1 093 m、1 087 m、1 097 m。

图8 2019年承压水等水位线示意图

2020年银川都市圈西线供水工程建成通水，向银川市三区供水，南郊水源地基本停产，并逐步压减北郊、东郊水源地开采量，年实际开采量8 148万 m3，较上年压采3 548万 m3，首次实现实际开采量小于可开采量1 962万 m3，取得较好治理效果。通过模型模拟的2020年超采区承压水等水位线(见图9)可知，银川市超采区变化较大，原有的三个开采漏斗中，南郊水源地开采漏斗基本消失，北郊水源地和东郊水源地漏斗面积均有减小，且漏斗最低水位分别为1 094 m、1 098 m，回升1 m。

图9 2020年承压水等水位线示意图

本文考虑在假设补给项稳定的情况下，主要按照西线供水工程通水后，逐步压减地下水水源地开采量来设置四种假定情景，并分别预测各假定情景下，银川市超采区水位变化情况。

6.1 现状情景下银川超采区水位预测

按照现状条件，超采区2025年、2030年承压水等水位线图见图10～图11。

图10 2025年承压水等水位线示意图(现状情景)

由图10和图11可知，2020年在关闭南郊水源地取水井后，2025年南郊水源地漏斗区水位将1 100 m上升至1 104 m，北郊水源地和东郊水源地开采漏斗区水位基本维持稳定，与2020年相同。2030年南郊水源地漏斗区水位将由2025年1 104 m上升至1 106 m，北郊水源地和东郊水源地开采漏斗区水位不变。

图11 2030年承压水等水位线示意图(现状情景)

6.2 关停南郊压减东郊情景水位预测

按照关停南郊压减东郊情景，超采区2025年、2030年承压水等水位线图见图12和图13。

图12 2025年承压水等水位线示意图(关停南郊压减东郊情景)

图13 2030年承压水等水位线示意图(关停南郊压减东郊情景)

由图12和图13可知，在现状条件下，假定2021年将东郊水源地开采量压减50%，则2025年南郊水源地漏斗区水位将由1 100 m上升至1 104 m；东郊水源地开采漏斗区面积将减小，漏斗区最低水位由1 098 m上升至1 100 m；北郊水源地开采漏斗区面积将略有缩小，漏斗区最低水位基本维持稳定，与2020年相同。2030年南郊水源地漏斗区水位将由2025年1 104 m上升至1 106 m；东郊水源地开采漏斗区面积将略有缩小，漏斗区最低水位与2025年相同；北郊水源地开采漏斗区不变。

6.3 关停南郊和东郊情景水位预测

按照关停南郊和东郊情景，超采区2025年、2030年承压水等水位线图见图14、图15。

图14 2025年承压水等水位线示意图(关停南郊东郊情景)

图15 2030年承压水等水位线示意图(关停南郊东郊情景)

由图14和图15可知，在现状条件下，假定2021年将东郊水源地取水井全部关停，则2025年南郊水源地漏斗区水位将由1 100 m上升至1 104 m；东郊水源地开采漏斗将基本消失，漏斗区最低水位由1 098 m上升至1 100 m；北郊水源地开采漏斗区基本维持稳定，与2020年相同。2030年南郊水源地漏斗区水位将由2025年1 104 m上升至1 106 m；东郊水源地开采漏斗区面积将继续略有缩小，漏斗区最低水位与2025年相同；北郊水源地开采漏斗区不变。

6.4 关停南郊、东郊和北郊情景水位预测

按照关停南郊、东郊和北郊情景，超采区2025年、2030年承压水等水位线图见图16和图17。

由图16和图17可知，在现状条件下，假定2021年将东郊、北郊水源地取水井全部关停，则2025年银川市超采区开采漏斗将全部消失，其中南郊水源地漏斗区水位将由1 100 m上升至1 105 m；东郊水源地开采漏斗区水位将由1 098 m上升至1 101 m；北郊水源地开采漏斗区水位将由1 094 m上升至1 109 m。2030年超采区水位将继续回升，其中南郊开采漏斗区水位将由2025年1 105 m上升至1 107 m；东郊水源地开采漏斗区水位维持不变；北郊水源地开采漏斗区水位将由2025年1 109 m上升至1 111 m。